(57)【要約】  複素振幅インラインホログラムの生成方法および該方法を用いる画像記録装置において、単一のオフアクシスホログラムから、空間周波数帯域を制限することなく、また、補間などによる誤差を生じることなく、高速処理と高速記録を実現可能とする。本生成方法は、オフアクシスホログラフィによって取得された１枚のオフアクシスホログラム（Ｉ）と、ホログラム（Ｉ）を取得するために用いたオフアクシス参照光（Ｒ）のデータを入手し（Ｓ１）、再生用インライン参照光（Ｒ’）の設定を行い（Ｓ２）、ホログラム（Ｉ）に対し、参照光（Ｒ，Ｒ’）の位相に基づいて空間ヘテロダイン変調を施す変調工程（Ｓ３）と、変調工程によって変調されたホログラムに空間周波数フィルタリングを施すフィルタリング工程（Ｓ４）とを順に行うことにより複素振幅インラインホログラム（Ｊ）を生成する。空間サンプリングを行わない分、視野角（ψ）の制限が緩和される。【選択図】図１
2011089820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オフアクシスホログラムから複素振幅インラインホログラムを生成する方法であって、
オフアクシスホログラフィによって取得された１枚のオフアクシスホログラムに、再生用インライン参照光の位相および前記オフアクシスホログラムを取得するために用いたオフアクシス参照光の位相に基づいて空間ヘテロダイン変調を施す変調工程と、
前記変調工程によって変調されたホログラムに空間周波数フィルタリングを施すフィルタリング工程と、を備え、
前記変調工程と前記フィルタリング工程とを順に行うことにより複素振幅インラインホログラムを生成することを特徴とする複素振幅インラインホログラムの生成方法。
【請求項２】
オフアクシスホログラムから複素振幅インラインホログラムを生成する方法であって、
オフアクシスホログラフィによって取得された１枚のオフアクシスホログラムに空間周波数フィルタリングを施すフィルタリング工程と、
前記フィルタリング工程によってフィルタリングされたホログラムに、再生用インライン参照光の位相および前記オフアクシスホログラムを取得するために用いたオフアクシス参照光の位相に基づいて空間ヘテロダイン変調を施す変調工程と、を備え、
前記フィルタリング工程と前記変調工程とを順に行うことにより複素振幅インラインホログラムを生成することを特徴とする複素振幅インラインホログラムの生成方法。
【請求項３】
前記変調工程と前記フィルタリング工程のいずれの工程よりも前に前記オフアクシスホログラムから前記オフアクシス参照光の光強度成分を差し引くことにより参照光の光強度成分を除いて成る基礎ホログラムを生成する前処理工程と、
前記前処理工程によって生成された基礎ホログラムに対して前記変調工程と前記フィルタリング工程とを行い、これによって生成された複素振幅インラインホログラムを用いて物体光の光強度成分を算出する生成算出工程と、
前記算出された物体光の光強度成分を前記基礎ホログラムから差し引き、これによって得られたオフアクシスホログラムに対して前記変調工程と前記フィルタリング工程とを行い、これによって複素振幅インラインホログラムを生成する近似工程と、
前記近似工程によって生成された複素振幅インラインホログラムを用いて物体光の光強度成分を算出すると共に、その光強度成分が許容範囲まで減少しているか否かを判定する算出判定工程と、をさらに備え、
前記算出判定工程において物体光の光強度成分が許容範囲まで減少していないと判定されたときに、その物体光の光強度成分を用いて前記近似工程と算出判定工程とを繰り返すことにより物体光の影響を除いて複素振幅インラインホログラムを生成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の複素振幅インラインホログラムの生成方法。
【請求項４】
前記オフアクシスホログラムをオフアクシスホログラフィにより受光素子を介して電子的に取得するホログラム取得工程と、
前記ホログラム取得工程の前または後に、前記受光素子の受光面における参照光のみの強度を取得する参照光測定工程と、をさらに備え、
前記ホログラム取得工程は、受光面における参照光の強度を、物体光の強度よりも大きくした状態で行われることを特徴とする請求項３に記載の複素振幅インラインホログラムの生成方法。
【請求項５】
前記オフアクシスホログラムから像を再生し、その再生像から、物体光と前記オフアクシスホログラムの取得に用いた参照光との光軸のずれを検出し、前記光軸のずれを用いて前記再生用インライン参照光の光軸を設定する光軸設定工程をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の複素振幅インラインホログラムの生成方法。
【請求項６】
物体像を記録したオフアクシスホログラムから複素振幅インラインホログラムを生成し、そのホログラムを物体の画像情報として電子的に記録する画像記録装置であって、
物体像をオフアクシスホログラフィによってオフアクシスホログラムとして記録するオフアクシスホログラム取得部と、
前記オフアクシスホログラム取得部によって取得されたオフアクシスホログラムから複素振幅インラインホログラムを生成するホログラム変換部と、
前記ホログラム変換部によって生成された複素振幅インラインホログラムを物体の画像情報として電子的に記録する記憶部と、を備え、
前記ホログラム変換部は、再生用インライン参照光の位相および前記オフアクシスホログラムを取得するために用いたオフアクシス参照光の位相に基づいて前記オフアクシスホログラムに空間ヘテロダイン変調を施す変調部と、前記変調部によって変調されたホログラムに空間周波数フィルタリングを施すフィルタリング部と、を備え、これらの変調部およびフィルタリング部を用いて複素振幅インラインホログラムを生成することを特徴とする画像記録装置。
【請求項７】
物体像を記録したオフアクシスホログラムから複素振幅インラインホログラムを生成し、そのホログラムを物体の画像情報として電子的に記録する画像記録装置であって、
物体像をオフアクシスホログラフィによってオフアクシスホログラムとして記録するオフアクシスホログラム取得部と、
前記オフアクシスホログラム取得部によって取得されたオフアクシスホログラムから複素振幅インラインホログラムを生成するホログラム変換部と、
前記ホログラム変換部によって生成された複素振幅インラインホログラムを物体の画像情報として電子的に記録する記憶部と、を備え、
前記ホログラム変換部は、前記オフアクシスホログラムに空間周波数フィルタリングを施すフィルタリング部と、前記フィルタリング部によってフィルタリングされたホログラムに、再生用インライン参照光の位相および前記オフアクシスホログラムを取得するために用いたオフアクシス参照光の位相に基づいて空間ヘテロダイン変調を施す変調部と、を備え、これらの変調部およびフィルタリング部を用いて複素振幅インラインホログラムを生成することを特徴とする画像記録装置。
【請求項８】
前記オフアクシスホログラム取得部は、コヒーレント光の光源としてパルスレーザを用いることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の画像記録装置。
【請求項９】
前記オフアクシスホログラム取得部は、互いに波長領域の異なる複数のレーザを用いて物体像をカラーのオフアクシスホログラムとして記録し、
前記ホログラム変換部は、前記カラーのオフアクシスホログラムからカラーの複素振幅インラインホログラムを生成することを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか一項に記載の画像記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オフアクシスデジタルホログラムから複素振幅インラインホログラムを生成する方法および該方法を用いる画像記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホログラフィは、レーザ光を互いにコヒーレントな照明光と参照光に分け、モデルとなる物体を照明光により照射して発生した物体光と別経路を伝播してきた参照光とを写真乾板面で受光し、受光面での干渉パターンを写真乾板に記録する技術である。この乾板を現像したものがホログラムである。ホログラムに再生照明光を当てることによって物体のあった位置に物体の立体像(虚像)を再生して見ることができる。計算機ホログラフィは、計算機内部のデータとして物体を表現し、光の反射、回折、干渉の物理シミュレーションを計算機上で行い、ホログラム面として定めた任意の面における干渉パターンのデータを計算する技術である。計算結果に基づき、何らかの表示デバイスを用いてホログラムを製作する。物体を計算機上のデータで定義するので、モデルとなる物体が不要であり、光学的な補正が可能である。また、メモリに記録した干渉パターンを反射型液晶ディスプレイなどに次々と表示してホログラムを実体化すると共に参照光を照射して物体像を連続的に再生できる。【０００３】
ディジタルホログラフィは、写真乾板ではなくＣＣＤ画像センサやＣＭＯＳ画像センサなどによって干渉パターンを検出して電子的に記録し、記録した干渉パターンの光強度分布を計算機で数値処理し物体光波を算出してホログラムを作成する技術である。ディジタルホログラフィを用いれば、画像センサ面における２次元の複素振幅分布の形で物体光の波面情報を取得できる。この波面情報に基づいて、上述の計算機ホログラフィと同様に、様々な視点や位置での物体像が得られる。ところで、一般に、ホログラフィによる３次元像の撮像においては、参照光が物体光に変調されて作られる光変調干渉縞の他に、参照光や物体光そのもの、および、物体表面で散乱された物体光の相互混合や光路上で発生した散乱を受けた参照光の相互混合などによって作られる光混合干渉縞などが記録される。このうちで像再生に必要であるのは光変調干渉縞であり、他の光成分は像再生に悪影響を及ぼし再生像の画質を低下させる。この光変調干渉縞だけを取得して物体光波面情報として記録するためには、上述の複素振幅分布を取得する必要がある。従来の写真乾板などを用いるホログラムは、光波の瞬時位相（物体光波面情報）を記録する代わりに干渉という方法によって物体光の位相情報を固定化して記録するので、実数部のみのデータである。複素振幅は、振幅と位相、あるいは実数部と虚数部といった複数のデータから成る。従って、複素振幅を求めるには、複数枚のホログラムデータが必要である。光変調干渉縞だけを取得する技術として位相シフトデジタルホログラフィが知られている（例えば、特許文献１参照）。【０００４】
位相シフトデジタルホログラフィでは、物体光に対する参照光の位相状態を３段階又は４段階に変化させ、互いに異なる複数枚のホログラムデータを取得する。参照光の位相をシフトする方法として、薄いガラス板を参照光の伝播経路に挿入したり、参照光を反射するミラーの位置をピエゾ素子を用いて移動させたりする方法がある。例えば、ピエゾ素子を用いて、参照光の位相をπ／２ずつシフトさせた状態で３種類のホログラムデータを取得し、３枚のホログラムの各画素データ間の連立方程式から物体光の複素振幅を求める。しかしながら、この方法による画像記録においては、一般に位相シフトのための制御パラメータに対するシフト量が波長依存性を有するので、カラーのホログラム取得が難しいという欠点がある。この波長依存性を無くして赤青緑の３色参照光の位相を同時に同じ値だけシフトする方法として、空間光変調素子を用いた位相シフト法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。【０００５】
しかしながら、空間光変調素子を用いる位相シフトデジタルホログラフィは、静止３次元像の撮像技術としては優れているが、１枚の複素振幅ホログラムを得るために、参照光の位相状態をシフトさせて複数枚のホログラムを逐次記録する必要がある。つまり、位相状態の異なる複数のホログラムの記録を同時に行わない限り、原理的に時間経過の中での記録となるので、時間変化する被写体や動く被写体の３次元像を撮像するには適用限界がある。そこで、参照光の位相状態を受光面の画素毎に異ならせて、複数枚のホログラムデータを一括して取得する方法がある。例えば、隣接する素子が互いにπ／２ずつ位相を異ならせるようにアレイ配置した位相シフトアレイ素子を参照光の伝播経路に挿入して、参照光の断面に位相分布を持たせることにより、１枚のホログラムに参照光の位相が０，π／２，π，３π／２の４段階に変化させた干渉パターンの情報を記録する。この場合、一枚のホログラム中の画素データの１／４ずつが４種類のホログラムをそれぞれ形成している（例えば、特許文献３参照）。【０００６】
位相シフトアレイ素子を用いる方法は、光偏向アレイ素子と位相シフトアレイ素子および受光素子それぞれの画素位置を厳密に一致させる必要があり、装置の高い位置合わせ精度が要求される。また、外乱によって画素位置がずれた場合の誤り訂正などの課題がある。また、このような位相シフトアレイ素子を高精度で低コスト化するのは難しいと思われる。さらに、光の位相シフトが波長依存性を持つので、記録画像のカラー化が難しいと考えられる。そこで、平行参照光と受光面との幾何学的な配置関係のみによって受光面上における参照光の位相状態を画素毎に異ならせる、という簡単な構成によって、位相シフトホログラムの高速取得化を実現する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。【０００７】
上述の特許文献４に示される方法は、平行参照光の斜め照射およびホログラムデータの後処理によってカラー３次元像を単一ショット記録可能とする。この方法は、ＣＣＤのような受光素子に平行参照光を斜め照射させることにより、受光素子表面に参照光の位相を周期的に分布させ、物体光波面をオフアクシスホログラムとして単一ショットによって記録する。その後、記録ホログラムデータの空間サンプリングやデータ補間などのデータ処理によって、異なる参照光位相状態の３枚または４枚の干渉縞ホログラムを取り出す。取り出された複数枚の干渉縞ホログラムを用いてノイズ成分を取り除いた物体光波面のみが記録された複素振幅インラインホログラムが生成される。この方法は、時間経過を伴わない単一ショット記録による１枚のホログラムに基づいて複素振幅インラインホログラムが求められるので、処理の高速化やパルスレーザの使用により、原理的に、動く３次元像のリアルタイム撮像が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３４７１５５６号公報
【特許文献２】特開２００７−１１４４６３号公報
【特許文献３】特開２００５−２８３６８３号公報
【特許文献４】特開２００８−１２２５６５号公報
【発明の開示】
【０００９】
しかしながら、上述した特許文献４に示される複素振幅インラインホログラムの生成方法は、空間サンプリングやデータ補間を用いるものであり、そのため、次のような課題がある。空間サンプリングは、ホログラムの空間周波数帯域を制限し、その結果、記録可能な３次元像の視野角が狭くなる。視野角については、例えば、３次元ディスプレイの実現を目標とした撮像装置の開発において、広い視野角を持つ３次元像の撮像が課題となっている。この課題を解決するには、複素振幅インラインホログラムに広い空間周波数帯域を持たせる必要がある。また、データ補間は、得られた複素振幅ホログラムに誤差を生じるという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により、単一のオフアクシスホログラムから、空間周波数帯域を制限することなく、また、補間などによる誤差を生じることなく、高速処理と高速記録を実現できる複素振幅インラインホログラムの生成方法および該方法を用いる画像記録装置を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明の一態様に係る複素振幅インラインホログラムの生成方法は、オフアクシスホログラムから複素振幅インラインホログラムを生成する方法であって、オフアクシスホログラフィによって取得された１枚のオフアクシスホログラムに、再生用インライン参照光の位相およびオフアクシスホログラムを取得するために用いたオフアクシス参照光の位相に基づいて空間ヘテロダイン変調を施す変調工程と、変調工程によって変調されたホログラムに空間周波数フィルタリングを施すフィルタリング工程と、を備え、変調工程とフィルタリング工程とを順に行うことにより複素振幅インラインホログラムを生成することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の一態様に係る複素振幅インラインホログラムの生成方法は、上記の変調工程とフィルタリング工程とに替えて、オフアクシスホログラフィによって取得された１枚のオフアクシスホログラムに空間周波数フィルタリングを施すフィルタリング工程と、フィルタリング工程によってフィルタリングされたホログラムに、再生用インライン参照光の位相および前記オフアクシスホログラムを取得するために用いたオフアクシス参照光の位相に基づいて空間ヘテロダイン変調を施す変調工程と、を備え、フィルタリング工程の後に変調工程を行うようにすることができる。
【００１３】
このような構成によれば、空間サンプリングやデータ補間を行うことなく、変調工程とフィルタリング工程とによって、単一のオフアクシスホログラムから複素振幅インラインホログラムを生成するので、空間周波数帯域、従って視野角を制限することなく、また、補間による誤差を含むことなく、複素振幅インラインホログラムを生成できる。従って、生成されたホログラムの空間周波数帯域は、受光素子の画素ピッチから決まる記録可能限界まで拡大することができ、広視野角の３次元像を記録することができる。また、変調工程とフィルタリング工程には、既存のデータ処理技術を用いることができ、構成が簡単であり、高速処理が可能である。単色の１枚の複素振幅インラインホログラムの生成には、単色の１枚のオフアクシスホログラムが与えられればよく、必要なオフアクシスホログラムは容易に得られるので、リアルタイムで画像を記録することができる。また、オフアクシスホログラム取得に用いられる参照光は、平行光に限られず、より一般的な参照光、例えば球面波などを用いることができる。その参照光の位相も、その位相分布が既知で有ればよく、任意の空間位相分布とすることができる。
【００１４】
本発明の一態様に係る画像記録装置は、物体像を記録したオフアクシスホログラムから複素振幅インラインホログラムを生成し、そのホログラムを物体の画像情報として電子的に記録する画像記録装置であって、物体像をオフアクシスホログラフィによってオフアクシスホログラムとして記録するオフアクシスホログラム取得部と、オフアクシスホログラム取得部によって取得されたオフアクシスホログラムから複素振幅インラインホログラムを生成するホログラム変換部と、ホログラム変換部によって生成された複素振幅インラインホログラムを物体の画像情報として電子的に記録する記憶部と、を備え、ホログラム変換部は、再生用インライン参照光の位相およびオフアクシスホログラムを取得するために用いたオフアクシス参照光の位相に基づいてオフアクシスホログラムに空間ヘテロダイン変調を施す変調部と、変調部によって変調されたホログラムに空間周波数フィルタリングを施すフィルタリング部と、を備え、これらの変調部およびフィルタリング部を用いて複素振幅インラインホログラムを生成することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の一態様に係る画像記録装置は、上記のホログラム変換部が、上記の変調部とフィルタリング部とに替えて、オフアクシスホログラムに空間周波数フィルタリングを施すフィルタリング部と、フィルタリング部によってフィルタリングされたホログラムに、再生用インライン参照光の位相およびオフアクシスホログラムを取得するために用いたオフアクシス参照光の位相に基づいて空間ヘテロダイン変調を施す変調部と、を備え、これらの変調部およびフィルタリング部を用いて複素振幅インラインホログラムを生成することを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、単一のオフアクシスホログラムの高速連続取得は容易であり、また、複素振幅インラインホログラムの生成は、後処理で行うことができるので、変形する物体や移動する物体の時系列画像を容易に記録することができる。複素振幅インラインホログラムの生成を高速で行えば、リアルタイムで動画像の複素振幅インラインホログラムを生成して、記録したり、配信したりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る複素振幅インラインホログラムの生成方法の処理を説明するフローチャートであり、図１（ｂ）は同方法の変形例を説明するフローチャートである。
【図２】図２（ａ）は同方法の処理を説明するブロック図であり、図２（ｂ）は同変形例の処理を説明するブロック図である。
【図３】図３は同方法の処理対象であるオフアクシスホログラムを取得する装置の平面図である。
【図４】図４は同方法における再生用参照光設定の処理を説明するフローチャートである。
【図５】図５は同方法における空間周波数と視野角との関連を説明する平面図である。
【図６】図６は同方法におけるオフアクシスホログラムの空間周波数分布を説明する図である。
【図７】図７（ａ）は視野角が狭い場合において、参照光の軸外し角度が適切な場合の空間周波数分布図であり、図７（ｂ）は同軸外し角度が小さすぎる場合の空間周波数分布図であり、図７（ｃ）は同軸外し角度が大きすぎる場合の空間周波数分布図である。
【図８】図８（ａ）は同方法におけるオフアクシスホログラムを球面波からなる参照光によって取得する様子を示す平面図であり、図８（ｂ）は同参照光が平行光の場合の平面図である。
【図９】図９（ａ）は同方法を適用する視野角が狭い場合のオフアクシスホログラムの空間周波数分布図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のホログラムに空間ヘテロダイン変調を行った場合の空間周波数分布図であり、図９（ｃ）は図９（ｂ）のホログラムに空間周波数フィルタリングを行った場合の空間周波数分布図である。
【図１０】図１０（ａ）（ｂ）は第２の実施形態に係る複素振幅インラインホログラムの生成方法を適用する視野角が広い場合のオフアクシスホログラムの空間周波数分布図、（ｂ）は同方法の適用が難しい場合の空間周波数分布図である。
【図１１】図１１は同方法の処理を説明するフローチャートである。
【図１２】図１２は同方法の処理を説明するブロック図である。
【図１３】図１３は第３の実施形態に係る画像記録装置のブロック構成図である。
【図１４】図１４は同装置のオフアクシスホログラム取得部の平面図である。
【図１５】図１５（ａ）は同装置によって取得した視野角が狭い場合のオフアクシスホログラムの一部を示す図であり、図１５（ｂ）は同ホログラムから生成した複素振幅インラインホログラムの実数部分の一部を示す図であり、図１５（ｃ）は同ホログラムの虚数部分の一部を示す図である。
【図１６】図１６（ａ）（ｂ）（ｃ）は同複素振幅インラインホログラムからそれぞれ再生した赤色、緑色、青色の色画像であり、図１６（ｄ）は同ホログラムから再生したカラー画像である。
【図１７】図１７（ａ）は同装置によって視野角が広い場合の配置でオフアクシスホログラムを取得する様子を示す側面図であり、図１７（ｂ）は同平面図である。
【図１８】図１８は同配置のもとで取得したオフアクシスホログラムの再生像である。
【図１９】図１９は同再生像と空間周波数分布とを対応付けて説明する図である。
【図２０】図２０は同オフアクシスホログラムから生成した複素振幅インラインホログラムの再生像である。
【図２１】図２１は同再生像と空間周波数分布とを対応付けて説明する図である。
【図２２】図２２（ａ）は視野角が狭い場合のオフアクシスホログラムの空間周波数分布図であり、図２２（ｂ）は同ホログラムから再生した単色再生画像である。
【図２３】図２３（ａ）は視野角が狭い場合の複素振幅インラインホログラムの空間周波数分布図であり、図２３（ｂ）は同ホログラムから再生した単色再生画像である。
【図２４】図２４は視野角が広い場合の繰り返し近似の手法において物体光の光強度差が繰り返し計算回数ｎと共に収束する様子を４種類の振幅比Ｒ０／Ｏ０の各場合について示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態に係る複素振幅インラインホログラムの生成方法および該方法を用いる画像記録装置について、図面を参照して説明する。なお、各用語は適宜簡略した表現が用いられる。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１乃至図９は、第１の実施形態に係る複素振幅インラインホログラムの生成方法について示す。本生成方法は、図１（ａ）、図２（ａ）に示すように、オフアクシスホログラフィによって取得された１枚のオフアクシスホログラムＩと、ホログラムＩを取得するために用いたオフアクシス参照光Ｒのデータを入手し（Ｓ１）、再生用インライン参照光Ｒ’の設定を行い（Ｓ２）、ホログラムＩに対し、参照光Ｒ，Ｒ’の位相に基づいて空間ヘテロダイン変調を施す変調工程（Ｓ３）と、変調工程によって変調されたホログラムに空間周波数フィルタリングを施すフィルタリング工程（Ｓ４）とを順に行うことにより複素振幅インラインホログラムＪを生成する。以下、他の図を参照しながら、各工程を詳細説明する。なお、変調工程（Ｓ３）と、フィルタリング工程（Ｓ４）とは、図１（ｂ）、図２（ｂ）に示すように、順番を逆にしてもよく、これについては後述する。
【００２０】
ステップ（Ｓ１）におけるホログラムＩ、および参照光Ｒのデータは、例えば、図３に示すオフアクシスホログラム取得装置１１によって取得されるデータである。ホログラム取得装置１１は、単色のコヒーレント光源であるレーザ２と、レーザ２からのレーザ光２１を参照光２２と照明光２３とに分けて出射するビームスプリッタＢＳと、参照光２２を反射するミラーＭと、ミラーＭで反射した参照光２２を球面波状に広げられた参照光Ｒとするレンズ系３と、照明光２３を反射するミラーＭ１と、ミラーＭ１で反射した照明光２３を広げて平行光にして照明光Ｌをつくるレンズ系４と、参照光Ｒおよび物体９が照明光Ｌによって照明されて放射する物体光Ｏを受光する受光素子５と、レーザ２と受光素子５とを制御する制御装置６を備えている。レンズ系４は、例えば、照明光２３を広げるレンズ４１と広げたレンズを平行光とするコリメートレンズ４１とによって構成される。被写体である物体９は、受光素子５の受光面５１の中央正面方向の撮像軸上に配置される。参照光Ｒは、撮像軸に対して傾いた方向、すなわちオフアクシス方向（軸外し方向）から受光面５１の中央に向けて照射される。このホログラム取得装置１１によって、単色のオフアクシスホログラムが電子的に取得される。本生成方法は、いわゆる位相シフトデジタルホログラフィにおいて取得される互いに位相状態の異なる複数のオフアクシスホログラムのうち、１枚のホログラムが取得できればよい。従い、そのようなホログラム取得装置１１は容易に構成される。参照光Ｒのデータは、例えば、参照光Ｒと共に測定用の平行光を受光面５１に照射し、その干渉縞を記録することにより実測したり、ホログラム取得装置１１における各光学部材の光学的配置その他の光学的条件に基づいて演算したりして、容易に求めることができる。
【００２１】
ステップ（Ｓ２）における再生用インライン参照光Ｒ’は、その波長λは参照光Ｒの波長λと同じであり、その光軸は、通常、受光面５１の中央正面方向とすればよい。また、参照光Ｒ’の光軸を、物体９からの物体光Ｏの強度が最大となる方向に設定することもできる。この場合、図４に示すように、ホログラムＩから像を再生し（Ｓ２１）、その再生像から物体光Ｏと、オフアクシス参照光Ｒとの光軸のずれを検出し（Ｓ２２）、検出した光軸のずれを用いて参照光Ｒ’の光軸を求める（Ｓ２３）。これにより、より適切かつ確実に再生用インライン参照光の光軸を設定することができる。参照光Ｒ’の位相は適宜任意に設定することができる。
【００２２】
ここで、図５、図６、図７により、空間周波数、視野角、およびオフアクシスホログラムＩの空間周波数分布などの概念と、これらの相互の関連について説明する。図５に示すように、受光素子５の正面前方に物体９があるとし、受光面５１の中央点５０に注目して、中央点５０から物体９を望む角度を視野角ψとし、中央点５０に入射する、ある物体光Ｏの入射角と参照光Ｒの入射角とをそれぞれθＯ，θＲとする。図の上下方向を軸外し方向ｙとしており、θＲはオフアクシス角（軸外し角）である。なお、参照光Ｒは、球面波または平面波に限らず任意である。また、受光素子５は、例えば、ＣＣＤ画像センサであり、画素となるＣＣＤ画像センサの各光センサ部が、軸外し方向ｙとその直交方向とに２次元配列されて受光面５１を構成しているものとする。角画素は画素ピッチｄで配列されている。物体光Ｏと参照光Ｒとは、受光面５１に干渉縞を形成し、その縞のピッチをＰとする。簡単のため、物体９が受光面５１に平行な白色平板であるとする。
【００２３】
図５の構成において、一般に、受光素子５を用いて記録可能なホログラムＩの最高空間周波数帯域幅は、受光素子５の画素ピッチｄから決まる空間サンプリング周波数ｆＳとなる。ここで、空間サンプリング周波数ｆＳは、ｆＳ＝１／ｄである。すなわち、最高空間周波数帯域幅は、画素ピッチｄによって制限される。縞のピッチＰは、Ｐ＝λ／（ｓｉｎθＲ＋ｓｉｎθＯ）、近軸の場合、Ｐ＝λ／（θＲ＋θＯ）となる。また、中心軸上、すなわちθＯ＝０において、Ｐ（中心軸上）＝λ／θＲ＝１/ｆＲ，Ｐ＋＝１/ｆＲ＋＝λ/（θＲ＋ψ/２），Ｐ−＝１/ｆＲ−＝λ/（θＲ−ψ/２），ｆＲ＋＝１/Ｐ＋＝θＲ/λ＋ψ/（２λ），ｆＲ−＝１/Ｐ−＝θＲ/λ−ψ/（２λ）の記号を定義する。
【００２４】
上述の各記号の意味は、図６の空間周波数分布図に示されている。この空間周波数分布は、明るさが一様な被写体（例えば、白色平板からなる物体９）を記録したときの軸外し方向ｙにおけるオフアクシスホログラムＩの１次元空間周波数分布である。図中のＲ０２，Ｏ０２，２Ｏ０Ｒ０ｃｏｓ（φＯ−φＲ）は、それぞれ、受光面５１における光強度Ｉ（オフアクシスホログラムＩの強度）の成分であって、参照光Ｒの光強度、物体光Ｏの光強度、参照光と物体光の干渉による光変調干渉縞の光強度である（後述、式（１）（２）（３）参照）。この分布図において、物体光Ｏの光強度と光変調干渉縞の光強度の広がり幅は視野角ψと波長λ、すなわちψ／λによって規定されている。また、光変調干渉縞の光強度の広がり中心は、軸外し角θＲと波長λ、すなわちθＲ／λによって規定されている。
【００２５】
従って、上述のψ，θＲ，λ等の数値の如何によって、物体光Ｏの光強度分布と光変調干渉縞の光強度分布とが、互いに重なったり、離れたり、また、空間サンプリング周波数ｆＳの範囲からはみ出したりする。例えば、視野角ψが狭い（小さい）場合において、図７（ａ）は分布に重なりがない場合、図７（ｂ）は重なりがある場合、図７（ｃ）は重なりがないが、空間サンプリング周波数ｆＳの範囲からはみ出している場合を示している。重ならない限界を示す条件は、ψ／λ＝ｆＳ／４、すなわち、重ならないで視野角ψを広げられる（大きくする）限界が、ψ＝λｆＳ／（４＝λ／（４ｄ）であることがわかる。この条件は、軸外し方向ｙについての条件であり、軸外し角θＲは、θＲ／λ＝（ψ／λ）×（３／２）、すなわち、θＲ＝３ψ／２＝３λ／（８ｄ）に調整されている場合である。本実施形態は、図６や、図７（ａ）に示したような、光強度分布が重ならない場合に、１枚のオフアクシスホログラムＩから複素振幅インラインホログラムを生成する。
【００２６】
図８は、参照波Ｒが球面波の場合と平行波の場合との違いを示すものである。図８（ａ）は、特に、参照波Ｒが球面波であって、その光源と物体９と受光素子５の受光面５１とが、同一の円周Ｃ上にある場合を示す。この場合、受光面５１上の点から物体９の点９ａと参照光Ｒの光源とを望む角度α，βなどは、受光面５１上の両端の点５ａ，５ｂにおいて等しく（α＝β）、また、近似的に、受光面５１上のいずれの点でも等しくなる。ところが、図８（ｂ）に示すように、参照光Ｒが平行光の場合には、このような条件は成り立たず、α≠βである。従って、参照光Ｒとして点光源から放射される球面波を用いることにより、平行参照光と比べて、面積のより広い受光面によって、視域角の大きいホログラムの記録が可能になる。
【００２７】
次に、図１（ａ）、図２（ａ）に戻って、ステップ（Ｓ３）の変調工程を説明する。ここでは、さらに、図９（ａ）（ｂ）（ｃ）を参照する。図９（ａ）は、基本的に図６、図７（ａ）と同じである。受光面５１における角周波数ωの物体光Ｏ（ｘ，ｙ，ｔ）、記録用のオフアクシス参照光Ｒ（ｘ，ｙ，ｔ）、および再生用インライン参照光Ｒ’（ｘ，ｙ，ｔ）を一般的な形でそれぞれ下記の式（１）（２）（３）で表すと、素子表面における光強度Ｉ（ｘ，ｙ）＝｜Ｏ（ｘ，ｙ，ｔ）＋Ｒ（ｘ，ｙ，ｔ）｜２は式（４）となる。
【００２８】
【数１】
2011089820.tif 000003
2011089820.tif 000004
【００２９】
式（４）右辺の第１項は物体光の光強度、第２項は参照光の光強度、第３項は参照光が物体光によって変調されて作られる光変調干渉縞を表す。第３項は物体光の振幅Ｏ０と位相φ０を記録し、直接像を記録する直接像成分と、共役像を記録する共役像成分と、の合成と見做される。一般に、光強度Ｉ（ｘ，ｙ）を電子的にオフアクシスホログラムＩとして記録すると、直接像成分と共役像成分とが分離されて、それぞれ異なる空間周波数帯域に記録される。例えば、図９（ａ）における左右の矩形のスペクトル強度波形が、直接像成分と共役像成分とに対応する。ここで、上述したように、空間周波数領域において、光変調干渉縞の直接像成分と共役像成分とが、物体光の光強度Ｏ０２の成分と重ならないようにして３次元像をオフアクシスホログラムＩとして記録したものとする。
【００３０】
次に、再生像と同一軸上にある再生用インライン参照光Ｒ’を想定し、オフアクシスホログラムＩの空間ヘテロダイン変調Ｈを行って参照光Ｒ’に対するインラインホログラムＩＨを求める。空間ヘテロダイン変調Ｈは、式（４）の両辺に参照光Ｒ，Ｒ’の各位相の差（φＲ−φＲ’）を有する因子ｅｘｐ[ｉ（φＲ−φＲ’）]を乗じて行われ、これにより下記の式（５）が算出される。
【００３１】
【数２】
2011089820.tif 000005
【００３２】
この変調Ｈにより、式（４）の右辺第３項の光変調干渉縞から、式（５）の右辺第２項と第３項が得られる。式（５）の右辺第２項からは直接像が再生され、第３項からは共役像が再生される。そこで、式（５）を空間周波数フィルタリングして直接像を記録した第２項のみを分離して取り出すと、像再生のための正確な複素振幅インラインホログラムが求められる。さらに述べると、式（５）の右辺第１項と第３項は、参照光Ｒ，Ｒ’の両方の位相φＲ，φＲ’を含んでいるが、第２項は参照光Ｒ’の位相φＲ’だけを含むものとなっている。すなわち、式（５）の右辺第２項はインライン成分のみからなり、右辺第１，３項はオフアクシス成分を含むものである。変調されたホログラムＩＨの空間周波数分布は図９（ｂ）に示す分布となる。この図９（ｂ）の波形は、図９（ａ）の波形全体を左方に移動させ、空間サンプリング周波数ｆＳで定まる範囲からはみ出した部分を、右方から折り返えした波形となっている。図９（ａ）（ｂ）は、式（４）（５）における複数項を含む多成分のホログラムである。また、図９（ａ）は左右対称であって実数に対応し、図９（ｂ）は左右非対称であって複素数に対応している。この図の中央部に位置する波形部分が求める複素振幅インラインホログラムＪに対応する。
【００３３】
上述の図９（ｂ）の中央部に位置する波形を取り出すために、ステップ（Ｓ４）の空間周波数フィルタリングＷが行われる。このフィルタリングＷは、図２（ａ）に示すように、ホログラムＩＨに対して、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を施してホログラムＩＨＦとし、このホログラムＩＨＦに対して、空間周波数分布の中央部を残すウインドウｗによってフィルタリング処理を行ってホログラム＜ＩＨＦ＞とし、ホログラム＜ＩＨＦ＞に再度、高速フーリエ変換（逆変換）を施して、最終の複素振幅インラインホログラムＪを生成する。図９（ｃ）は、近似（モデル化）せずに細かくみると実際は左右非対称であって複素振幅を表すものであり、生成された１成分の複素振幅インラインホログラムＪの空間周波数分布を示す。複素振幅インラインホログラムＪは、直接像のみを記録するので、軸外し方向におけるその帯域幅は直接像と共役像を記録した光変調干渉縞の半分になる。
【００３４】
上の説明では、空間ヘテロダイン変調（Ｓ３）を行った後に、空間周波数フィルタリング（Ｓ４）を行ったが、図１（ｂ）、図２（ｂ）に示すように、先に空間周波数フィルタリング（Ｓ１３）を行って、その後に、空間ヘテロダイン変調（Ｓ１４）を行っても同じ結果が得られる。すなわち、ステップ（Ｓ１１）（Ｓ１２）は、ステップ（Ｓ１）（Ｓ２）と同様であり、ステップ（Ｓ１３）において、フーリエ変換、フィルタリング、逆フーリエ変換によってそれぞれホログラムＩＦ，＜ＩＦ＞，Ｉ’が得られ、ステップ（Ｓ１４）において、１成分の最終の複素振幅ホログラムＪが得られる。
【００３５】
第１の実施形態によれば、空間サンプリングやデータ補間を行うことなく、変調工程とフィルタリング工程とによって、単一のオフアクシスホログラムＩから複素振幅インラインホログラムＪを生成するので、空間周波数帯域、従って視野角ψを制限することなく、また、補間による誤差を含むことなく、複素振幅インラインホログラムＪを生成できる。従って、生成されたホログラムＪの空間周波数帯域は、受光素子の画素ピッチｄから決まる記録可能限界まで拡大することができ、広視野角の３次元像を記録することができる。また、変調工程とフィルタリング工程には、既存のデータ処理技術を用いることができ、構成が簡単であり、高速処理が可能である。単色の１枚の複素振幅インラインホログラムＪの生成には、単色の１枚のオフアクシスホログラムＩが与えられればよく、必要なオフアクシスホログラムＩは容易に得られるので、リアルタイムで画像を記録することができる。また、式（１）から式（５）において参照光の振幅と位相の空間分布を一般的な形で表していることに注意する必要がある。このことは、オフアクシスホログラムＩ取得に用いられる参照光Ｒは、平行光に限られず、より一般的な参照光、例えば球面波などを用いることができることを示している。その参照光の位相も、その位相分布が既知で有ればよく、任意の空間位相分布とすることができる。
【００３６】
（第２の実施形態）
図１０、図１１、図１２は第２の実施形態について示す。本実施形態は、図１０に示すように、視野角ψが広い場合であって空間周波数分布における物体光Ｏの光強度Ｏ０２分布と光変調干渉縞の光強度２Ｏ０Ｒ０ｃｏｓ（φＯ−φＲ）分布とが、互いに重なっている場合に関する。図１０（ａ）（ｂ）に示すように、物体光Ｏの光強度が光変調干渉縞の光強度よりも大きい場合には、以下に示す繰り返し近似の手法によって、物体光Ｏの影響を取り除いた複素振幅インラインホログラムを生成することができる。図１０（ｃ）に示すように、物体光Ｏの光強度が光変調干渉縞の光強度よりも小さい場合には、繰り返し近似が収束しないことがある。
【００３７】
本生成方法は、図１１、図１２に示すように、第１の実施形態と同様にオフアクシスホログラムＩと参照光Ｒのデータを入手し、参照光Ｒ’の設定を行う（＃１）。その後、ホログラムＩからオフアクシス参照光Ｒの光強度成分Ｒ０２を差し引くことにより参照光の光強度成分を除いて成る基礎ホログラムＩｂ（ｎ），ｎ＝０を生成し（前処理工程、＃２）、前処理工程によって生成された基礎ホログラムＩｂ（ｎ），ｎ＝０に対して第１の実施形態と同様に変調工程（Ｓ３またはＳ１４）およびフィルタリング工程（Ｓ４またはＳ１３）を行って参照光Ｒ’に対する複素振幅インラインホログラムＪ（ｎ），ｎ＝０を生成し、その生成されたホログラムＪ（ｎ）を用いて物体光の光強度成分Ｏ０２（ｎ），ｎ＝０を算出する（生成算出工程、＃３）。その後、近似工程（＃４）と、算出判定工程（＃５，＃６）とを繰り返すことにより物体光Ｏの影響を除いて参照光Ｒ’に対する複素振幅インラインホログラムＪ（ｎ）を生成する。
【００３８】
近似工程（＃４）では、基礎ホログラムＩｂ（０）から光強度成分Ｏ０２（ｎ）を差し引いて、ｎ＝ｎ＋１（引数のインクリメント）とし、差し引いた結果を、新たな基礎ホログラムＩｂ（ｎ）とし、さらに、基礎ホログラムＩｂ（ｎ）からホログラムＪ（ｎ）を生成する。次の算出判定工程（＃５，＃６）では、ホログラムＪ（ｎ）から物体光の光強度成分Ｏ０２（ｎ）を算出し（＃５）、算出した光強度成分の変化Ｏ０２（ｎ）−Ｏ０２（ｎ−１）が許容範囲内まで減少しているか否かを判定し（＃６）、許容範囲内でなければ（＃６でＮＯ）、ステップ（＃４）からの処理を繰り返し、許容範囲内であれば（＃６でＹＥＳ）、その時点でのホログラムＪ（ｎ）を最終結果とし、処理を終了する。
【００３９】
上記前処理工程（＃２）における光強度成分Ｒ０２のデータは、既知として入手できれば入手したものを用い、入手できなければホログラムＩから近似的に求めて、または過去の測定例などから光強度成分Ｒ０２の関数形を決定し、その関数形から求めたものを用いてもよい。また、上述の生成方法を適用することを想定する場合には、オフアクシスホログラムＩをオフアクシスホログラフィにより受光素子５を介して電子的に取得するホログラム取得工程と、ホログラム取得工程の前または後に、受光素子５の受光面５１における参照光Ｒのみの強度を取得する参照光測定工程と、を実行すればよい。この場合に、ホログラム取得工程は、受光面５１における参照光Ｒの強度を、物体光Ｏの強度よりも大きくした状態で行う（図１０参照）。すなわち、上述の繰り返し近似計算が確実に収束する条件は、式（４）の第１項の物体光自身による光強度が第３項の光変調干渉縞に比べて小さいことと考えられ、第１項が大きくなると収束しなくなる場合がある。そこで、ホログラムを記録する際には、この繰り返し計算を収束させるために参照光の振幅Ｒ０を物体光の振幅Ｏ０より大きくすればよい。
【００４０】
第２の実施形態によれば、直接像成分の空間周波数帯域幅が空間サンプリング周波数の１／４以上となるような視野角の大きい３次元像について、参照光と物体光の光強度成分の影響を減少させた複素振幅インラインホログラムを生成することができる。また、参照光Ｒの強度を物体光Ｏの強度よりも大きくして取得したオフアクシスホログラムＩは近似の収束がより確実に行われるので、より確実に参照光と物体光の光強度成分の影響を除いて、複素振幅インラインホログラムＪを生成することができる。
【００４１】
さらに述べると、２次元空間周波数領域において光変調干渉縞が０次光（参照光と物体光）と重なってしまい、空間ヘテロダイン変調と空間周波数フィルタリングを各１回行うだけでは１枚のオフアクシスホログラムからノイズのない複素振幅インラインホログラムを取り出すことができない場合であっても、本実施形態によると、０次光の影響を取り除くことができ、広帯域（広い視野角）の複素振幅インラインホログラムＪを生成することができる。従って、光変調干渉縞と０次光の空間周波数帯を重ねて記録できるので、軸外しの方向には直接像成分の最大周波数帯域幅を空間サンプリング周波数ｆＳの１／２まで、それと垂直な方向には空間サンプリング周波数ｆＳまで、それぞれ拡大することが可能になる。
【００４２】
（第３の実施形態）
図１３乃至図２１は第３の実施形態の画像記録装置について示す。図１３に示すように、画像記録装置１は、物体像をオフアクシスホログラフィによってオフアクシスホログラムＩとして記録するオフアクシスホログラム取得部１１と、オフアクシスホログラム取得部１１によって取得されたオフアクシスホログラムＩから複素振幅インラインホログラムを生成するホログラム変換部１２と、ホログラム変換部１２によって生成された複素振幅インラインホログラムＪを物体の画像情報として電子的に記録する記憶部１３と、これらの各部を制御する制御部１４とを備えており、ホログラム変換部１２は、上述の第１の実施形態および第２の実施形態で示した複素振幅インラインホログラムの生成方法を用いるものである。ホログラム変換部１２、記憶部１３、および制御部１４は、一般的なコンピュータとソフトウエアによって構成することができる。
【００４３】
オフアクシスホログラム取得部１１は、単色のホログラムＪを生成記録する場合は、図３に示したホログラム取得装置１１を用いることができる。また、カラーの複素振幅インラインホログラムＪを生成記録するには、図３に示すように、ホログラム取得部１１に、互いに波長領域の異なる複数の、例えば、赤色、緑色、青色３色のレーザ２と、各レーザに対応する複数のレンズ系３と、複数のビームスプリッタＢＳと、複数のミラーＭとを備えればよい。受光素子５は、単色用の受光素子か、カラー用の受光素子のいずれを用いてもよい。単色用の受光素子を用いてカラー画像を記録する場合には、１つのレーザ２でホログラムＩを取得する動作を、レーザ２を互いに切り替えて複数回行えばよい。カラー用の受光素子を用いる場合には、複数のレーザ２を同時に動作させて、参照光Ｒと照明光Ｌとを混合して、例えば白色光にして、１回の動作でホログラムＩを取得することができる。画像記録装置１により、物体像をカラーのオフアクシスホログラムＩとして取得し、カラーの複素振幅インラインホログラムＪを生成することができる。
【００４４】
また、オフアクシスホログラム取得部１１は、レーザ２として、パルスレーザを用いてコヒーレント光の光源とするのが好適である。また、各参照光Ｒは、各レンズ系３によってレーザ光を球面波とし、その球面波の中心（光源）位置と、被写体（物体）位置と、受光素子５の受光面５１位置とを、同一の円周Ｃ上に配置する構成とするのが好適である。このような配置により、視域角の大きいホログラムの記録が可能になる。なお、図１４において、ホログラム取得部１１を構成するミラーＭ、レンズ系３などの各光学系が、広範囲に分散した状態で示されているが、これらの光学系は、それぞれコンパクトに構成して受光素子５の周辺にまとめることができる。この場合においても、各参照光Ｒを球面波として受光素子５に照射させるものとし、その球面波の光源位置を同一の円周Ｃ上に設定することができる。
【００４５】
第３の実施形態によれば、単一のオフアクシスホログラムの高速連続取得は容易であり、また、複素振幅インラインホログラムの生成は、後処理で行うことができるので、変形する物体や移動する物体の時系列画像を容易に記録することができる。また、複素振幅インラインホログラムの生成を高速で行えば、リアルタイムで動画像の複素振幅インラインホログラムを生成して、記録したり、配信したりすることができる。画像記録装置１のレーザ２として、パルスレーザを用いることにより、連続レーザを用いる場合に比べて、より高速に画像を記録することができ、高速で変化する現象の記録ができる。また、画像記録装置１のレーザ２として、複数のレーザを用いて、カラーの複素振幅インラインホログラムを生成し、移動する被写体や変化する被写体の瞬時的なカラー画像または連続的なカラー画像を記録することができる。また、オフアクシスホログラフィの一般的な性質として、参照光Ｒと物体光Ｏが結像用レンズを通さずに、直接受光面５１に到達して記録されるので、色収差や歪みの無い高画質カラー３次元動画像の撮像記録を実現することができる。
【００４６】
（第３の実施形態の第１の実施例：視野角が狭い場合）
図１５、図１６は第１の実施例を示す。視野角の小さい被写体として１辺の長さが１２ｍｍのサイコロを受光素子から５０ｃｍの位置に置き、画像記録装置１によってカラー３次元画像を記録した。ここでは、レーザ２として連続発振レーザを用いて、静止物体であるサイコロを１回の撮影で、オフアクシスホログラムＩを取得し、複素振幅インラインホログラムを生成して記録した。視野角ψはψ＝１．２／５０＝０．０２４ｒｄであり、受光素子５の画素ピッチｄ＝４μｍ、レーザ光の波長λとして短波長側の青色についてλ＝０．４７μｍとすると、λ／４ｄ＝０．０２９４である。従って、記録条件は、ψ＜λ／４ｄとなって、視野角が狭い場合になっている。なお、画素ピッチｄ、波長λを用いて、視野角ψが狭い場合は例えば０≦ψ≦λ／４ｄと表され、視野角ψが広い場合は例えばλ／４ｄ≦ψ≦λ／２ｄと表される。注目する視野角は、オフアクシス方向（軸外し方向）における視野角である。
【００４７】
図１５（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ緑色レーザ光で記録した干渉縞、取得したオフアクシスホログラムＩから求めた複素振幅インラインホログラムＪの実数成分、および虚数成分の拡大図を示す。図１５（ｂ）（ｃ）の実数成分および虚数成分は、振幅の実効値を用いて正規化した後に２５６階調で表示している。図１５（ａ）に示す干渉縞は、物体光と参照光が作る光変調干渉縞だけでなく物体光自身および参照光自身が作る干渉縞（０次光）も記録されており、図１５（ｂ）（ｃ）と比べてコントラストの低い高周波数の干渉縞となっている。これに対して図１５（ｂ）（ｃ）に示す複素振幅インラインホログラムＪでは、物体光と参照光が作る直接像成分（光変調干渉縞）が、図１５（ａ）と比べてコントラストの高い鮮明な低周波数干渉縞として得られている。
【００４８】
図１６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ複素振幅インラインホログラムＪから数値計算によって再生した赤色、緑色、青色３色の画像を示す。図１６（ｄ）は、複素振幅インラインホログラムＪから再生した３色の画像を重ねて合わせて求めたカラー画像を示す。このカラー画像は、色ずれの無い高画質のカラー画像となっている。この画像再生の結果から、赤色、緑色、青色３色の複素振幅インラインホログラムＪが正確に記録されていることが確認できる。
【００４９】
（第３の実施形態の第２の実施例：視野角が広い場合）
図１７〜図２１は第２の実施例を示す。図１７（ａ）（ｂ）に示すように、視野角ψの大きい被写体として３つのサイコロを撮像した。各サイコロは、受光素子からｚ１＝６０ｃｍの位置に１辺１２ｍｍのサイコロを置き、ｚ２＝６４ｃｍとｚ３＝６８ｃｍの位置に１辺１８ｍｍのサイコロをそれぞれ置き、直接像と共役像が重ならないように参照光Ｒの光源を上下と左右の両方向に軸外しをした位置に配置してオフアクシスホログラムＩを取得した。図１８は、オフアクシスホログラムＩから再生した単色画像を示す。図１９は、図１８の説明図である。これらの図に示されるように、オフアクシスホログラムＩからは直接像と共役像がそれぞれ図の上半分と下半分に分離して再生されている。また、直接像と共役像の他に０次光が再生され、この再生光のために直接像の画質が著しく劣化している。図２０は、複素振幅インラインホログラムＪから再生した単色画像を示す。直接像は、図１９において右上と左上とに分割されて再生されているが、図２０においては空間ヘテロダイン変調を行うことによって連続した画像として図の中央に再生されている。図２１は、図２０の説明図である。これらの図に示されるように、複素振幅インラインホログラムＪからは、よりコントラストの高い高画質な画像が再生されており、この結果から画像記録装置１により複素振幅インラインホログラムＪが正確に得られていることが分かる。
【００５０】
また、図１８、図１９に示す視野は受光素子の画素ピッチから決まる記録可能な視野を表し、視野全体に亘って直接像と共役像が再生されている。図２０、図２１に示すように複素振幅インラインホログラムＪからは直接像のみが再生され、上下方向のウインドウｗによるフィルタリングによって共役像を分離して取り除いた分（図２１の領域Ａ，Ｂの部分）だけ視野が上下方向に狭くなっている。複素振幅インラインホログラムＪの上下方向および左右方向の最大帯域幅はそれぞれ空間サンプリング周波数ｆＳの１／２および空間サンプリング周波数ｆＳに等しくなっている。これらの結果は、画像記録装置１により３次元像の視野角を理論的な記録可能限界まで拡大できていることを示している。
【００５１】
（第３の実施形態の第３の実施例）
図２２、図２３は第３の実施例を示す。視野角の小さい被写体として１辺の長さがそれぞれ１８ｍｍ、１８ｍｍ、１５ｍｍ、１２ｍｍの４つのサイコロを受光素子から７８ｃｍの位置に積み上げて配置し、画像記録装置１によってカラー３次元画像を記録した。図２２（ａ）（ｂ）は、記録されたオフアクシスホログラムに基づく空間周波数分布と再生画像を示す。オフアクシスホログラムによって、直接像、０次光、および共役像が、それぞれ、再生画像の右、中央、および左に再生されている。図２３（ａ）（ｂ）は、オフアクシスホログラムから生成された複素振幅インラインホログラムに基づく空間周波数分布と再生画像を示している。複素振幅インラインホログラムによって、再生画像の中央に直接像のみが再生されている。また、再生画像の左右方向視野は視野全体の１／４に制限されている。
【００５２】
（第２の実施形態の実施例）
図２４は第２の実施形態の実施例を示す。視野角の大きい被写体に対しては繰返し計算を行って複素振幅インラインホログラムを作成することができる。繰返し計算の収束状況は、物体光の光強度差δＯ０２＝Ｏ０２（ｎ）−Ｏ０２、または、それを規格化した値δＯ０２／Ｏ０２が繰返し計算回数ｎとともに小さくなることによって判断される。ここで、Ｏ０２（ｎ）は複素振幅ホログラムＪ（ｎ）から計算して求めた光強度であり、Ｏ０２は繰返し計算で求めた物体光強度の収束値である。光強度Ｏ０２（ｎ）が収束するためには参照光と物体光との振幅比Ｒ０／Ｏ０をおよそ３より大きい値に設定する必要があり、振幅比Ｒ０／Ｏ０がそれ以下の値のときには光強度Ｏ０２（ｎ）は一定値に収束しなくなる。このような収束条件が満たされる場合、図２４から分かるように、収束の速度は大きく、光強度Ｏ０２（ｎ）は数回の繰返しによって一定値Ｏ０２に収束する。また、収束の速度は振幅比Ｒ０／Ｏ０の値にあまり依存しない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係る複素振幅インラインホログラムの生成方法および該方法を用いる画像記録装置は、動く被写体の３次元像を記録する映像技術分野、情報分野、医療分野、生物科学分野、設計支援分野、工業計測分野、バーチャルリアリティ、などで使われるカラー３次元撮像方法および撮像装置の用途に適用できる。結像レンズを通さず記録する本装置は、歪みの無い３次元像を正確に記録でき、パルスレーザを用いることにより、３次元高速撮像ができる。これらの利点を活かして、動く被写体の位置や変位の測定、および３次元形状の非接触かつ非破壊な高速精密測定などに適用できる。また、衝突や爆発などの瞬時に変化する現象の高速３次元撮像に適用できる。【００５４】
なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上述した各実施形態の構成を互いに組み合わせた構成とすることができる。【００５５】
本願は日本国特許出願２０１０−０１２４２５に基づいており、その内容は、上記特許出願の明細書及び図面を参照することによって結果的に本願発明に合体されるべきものである。
【符号の説明】
【００５６】
１    画像記録装置
１１    オフアクシスホログラム取得部、オフアクシスホログラム取得装置
１２    ホログラム変換部
１３    記憶部
２    レーザ
５    受光素子
５１    受光面
９    物体（被写体）
Ｉ    オフアクシスホログラム
Ｉｂ，Ｉｂ（ｎ）    基礎ホログラム
Ｊ，Ｊ（ｎ）    複素振幅インラインホログラム
Ｏ    物体光
Ｏ０    物体光の振幅
Ｒ    参照光
Ｒ０    参照光の振幅
Ｒ’    再生用インライン参照光
φＲ    参照光の位相
φＲ’    再生用インライン参照光の位相
λ    波長
ψ    視野角
【図１】
2011089820.tif 000006
【図２】
2011089820.tif 000007
【図３】
2011089820.tif 000008
【図４】
2011089820.tif 000009
【図５】
2011089820.tif 000010
【図６】
2011089820.tif 000011
【図７】
2011089820.tif 000012
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１８】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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